Pozemský klimatický systém a jeho proměny

Seminář Univerzity třetího věku, 23.11.2009

Jiří Mikšovský

Katedra meteorologie, Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy

Přehled obsahu přednášky

Co je to klimatický systém a jak se utváří podnebí

Počasí vs. podnebí

Složky klimatického systému a vazby v něm

Radiační bilance Země a skleníkový efekt

Historický vývoj klimatických podmínek

Faktory podmiňující klimatické změny

Proměny klimatu v rámci různých časových měřítek

Techniky modelování klimatu a jeho vývoje

Globální klimatické modely

Regionální klimatické modely

Klimatické modelování v České republice

Klimatický systém a formování podnebí

Počasí a klima

Počasí

Popisuje konkrétní okamžitý stav atmosféry v daném místě a čase, charakterizovaný např. hodnotou teploty, atmosférického tlak, vlhkosti

vzduchu či intenzity srážek. Počasí lze úspěšně předpovídat jen na několik málo dnů dopředu, pomocí numerických prognostických modelů.

Klima

Charakterizuje typický režim počasí v určitém místě, daný např. průměrnými hodnotami meteorologických veličin, jejich rozptylu a struktury příslušných časových řad. Klima nelze předpovídat v deterministickém smyslu, budoucí klimatické charakteristiky lze

odhadovat pomocí klimatických modelů.

Základní složky klimatického systému

Klimatický systém zahrnuje nejen atmosféru, ale také oceány, kryosféru, pevnou zemi, biosféru a vazby mezi nimi; jeho chování je podmíněno i působením vnějších faktorů (sluneční činnost, vulkanická aktivita, …)

Spektrální složení slunečního záření

Radiační bilance Země

Ustavuje se (pseudo)rovnovážný stav mezi krátkovlnným zářením ze Slunce a dlouhovlnným vyzařováním Země

Skleníkový jev

Působen absorpcí dlouhovlnného infračerveného záření tzv. skleníkovými plyny (H2O,CO2, CH4, N2O, O3, halogenované uhlovodíky, …)

V přirozené podobě zvyšuje globální teplotu planety o cca 30°C

Důležité klimatotvorné faktory

Zeměpisná šířka

Pole teplot i tlaku vykazují charakteristickou závislost na vzdálenosti od rovníku

Nadmořská výška

Průměrné hodnoty teploty s nadmořskou výškou klesají

(v průměru o cca 0,6°C/100m)

Vzdálenost od oceánu

Oceánické a přímořské klima je typické relativně malými rozdíly mezi létem a zimou či dnem a nocí; v případě kontinentálních oblastí jsou rozdíly

značné

Poloha v rámci kontinentu/oceánu

Charakter povrchu, včetně případné vegetace

Základní klimatické oblasti Země

Zdroj: Wikipedia

Průměrná roční teplota na území ČR (°C)

Zdroj: Atlas podnebí Česka

Roční srážkové úhrny na území ČR (mm)

Zdroj: Atlas podnebí Česka

Vývoj a proměnlivost klimatu

Nejdůležitější příčiny klimatických změn

Variabilita sluneční činnosti

Změny orbitálních parametrů Země

Vulkanická činnost

Změny tvaru a polohy kontinentů a oceánů

Změny oceánického proudění

Změny charakteru povrchu a vegetace

Změny složení atmosféry

Proměny rozložení kontinentů a oceánů a hlavních horských pásem

• Kontinentální drift; změny výšky mořské hladiny; vrásnění a eroze pevnin

Převzato z: http://mineraly.wz.cz/paleomapy.htm

Změny složení atmosféry

Příklad: Rekonstrukce koncentrací CO2 v pozemské atmosféře, na základě geochemických modelů a měření (rekonstrukcí) z fosilních dat

Zdroj: Wikipedia

Vliv změn orbitálních parametrů zemskéoběžné dráhy

(Pseudo)periodické změny sklonu zemské osy k ekliptice, orientace zemskéosy v prostoru a excentricity (výstřednosti) oběžné dráhy (tzv.

Milankovičovy cykly) působí výrazné změny v množství slunečního záření, které v určitém ročním období obdrží místa ve vyšších zeměpisných

šířkách

Zdroj: Wikipedia

Proměnlivost sluneční aktivity

Počasí

Globální klimatické modely

Klima

Regionální klimatické modely

Měsíční průměrný po čet slune čních skvrn 1750-2005

Solární „konstanta“ 1979 – 2000Zdroj: Wikipedia (http://en.wikipedia.org)

Vliv silných vulkanických erupcí na klimatický systém• Silný krátkodobý vliv na teplotu stratosféry, v troposféře je efekt sopečných erupcí hůře patrný

Zdroj: Wikipedia

Změny oceánické cirkulace

• Termohalinní cirkulace: Teplejší povrchové a chladné hlubinné proudění, propojující většinu světových oceánů

• Pokles chladných a slaných vod do hlubin v Severním Atlantiku a jižních Oceánech

• Přenos tepla z rovníkových oblastí k pólům

Metody zjišťování klimatických podmínek v nedávné minulosti

• Přímá měření (jen několik posledních desítek až stovek let) – provozována na meteorologických stanicích, ale také prostřednictvím balónových sond, družic a jiných prostředků

Vývoj globálních a regionálních teplot u povrchu v průběhu 20. století (zpráva IPCC)

Metody zjišťování klimatických podmínek ve vzdálenější minulosti

Některé metody rekonstrukce:

• Izotopová analýza

• Analýza usazenin a fosílií

• Letokruhy

• Pylová analýza

• Analýza plynových bublinek

z ledovcových vrtů

• Měření teploty ve vrtech do nitra Země

• Studium archivních záznamů

Příklad: Koncentrace CO2 v bublinkách atmosférických plynů, uchovaných v Antarktickém

ledovci (stanice Vostok)

Rekonstrukce teplot za období posledních 2000 let (severní polokoule)

Zdroj: Wikipedia

Změny koncentrace CO2 v pozemskéatmosféře

Změny průměrné globální teploty od poloviny 19. století

Další projevy klimatických změn

Trend změny průměrné denní

teploty

Červená = nárůst teplotyModrá = pokles teplotyZelená = bez výr. trendu

Letníobdobí

Zimníobdobí

http://eca.knmi.nl/

Přisouzení pozorovaných změn jednotlivým působícím faktorům

Změny radiační bilance (relativně vzhledem k preindustriálnímu období)

Obrázek p řevzat: IPCC 4th AR, SfP

Modelování klimatu

Klimatické modelování

Základní vztahy – fyzikální, řešené metodami numerické matematiky

Zákon zachování hmoty (rovnice kontinuity), zákon zachování hybnosti (pohybová rovnice), zákon zachování energie, rovnice ideálního plynu

Parametrizace procesů malých měřítek

Některé procesy (konvektivní procesy, turbulence, tvorba srážek, …) nelze do simulace včlenit přímo, protože se odehrávají na podstatně menších

měřítcích než základní model rozliší: Je nutné přidat specifickéaproximace, často (semi)statistického typu

Globální klimatické modely vs. Regionální klimatické modely

Globální klimatické modely (GCM)

Základní prostředek současného klimatického výzkumu

Zahrnují všechny významné složky mezi složkami klimatického systému i jejich

vzájemné vazby

Dlouhé integrační časy

(stovky modelových let)

Velké nároky na výpočetní čas

Relativně malé prostorové rozlišení (stovky km)

Dynamické jádro (matematickáreprezentace základních zákonů zachování), doplněné fyzikální parametrizací procesů

malých měřítek

Globální klimatické modely (GCM)

• Kompletní popis všech komponent klimatického systému, včetně oceánu a

kryosféry, ale nižší rozlišení

Příklad: Výška povrchu v modelu HadCM3 (horizontální rozlišení 2.5 x 3.75°)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Globální klimatické modely (GCM)

• Neuspokojivý popis detailů zemského povrchu

733 776 620 0 0 0 0 0 0 0 5500 0 0 0 414

0 0 0 0 0 0 0 0 819 1046 9180 0 0 153 589

451 0 0 0 0 0 470 146 734 1105 13400 0 0 368 826

678 0 0 207 0 642 818 350 0 0 00 0 0 564 766

120 627 971 472 371 395 419 319 0 0 00 0 0 0 0

117 234 761 1261 734 219 372 504 144 80 1060 0 0 0 0

62 128 274 413 447 452 337 248 185 129 1510 0 0 0 0

73 0 62 113 85 115 133 144 138 148 1910 0 0 74 107

0 0 0 14 0 0 85 147 154 198 1720 0 0 0 135

0 0 0 0 126 0 0 86 92 169 1400 0 0 0 221

0 0 653 290 182 0 0 33 40 79 1120 0 0 0 0

0 0 436 590 395 0 29 56 78 88 910 0 0 0 0

Výška povrchu (▼) a land-sea maska (►) modelu HadCM3 (horizontální rozlišení 2.5 x 3.75°)

Globální klimatické modely (GCM) – síť modelu ARPEGE (Meteo-France)

• Souvislá síť s proměnlivým horizontálním rozlišením (maximální hustota v

oblasti Evropy, nejmenší v jižním Pacifiku)

Regionální klimatické modely (RCM)

• Omezená integrační oblast, ale vyšší rozlišení

• Okrajové podmínky přebírány z globálního modelu (reanalýzy)

• Méně výpočetně náročné než GCM

▼ Příklad: Síť gridových bodů modelů HadCM3 a HIRHAM (Danish Met. Institute)

Klimatické modely – reprezentace terénu

HadCM3

(250 km)

HIRHAM

(50 km)

ALADIN

(10 km)

Regionální modely v projektu CECILIA

Integrační domény regionálních modelů použitých různými institucemi v projektu CECILIA

Model RegCM:

CUNI (Charles University, CZ)

ELU (Eotwos Lorand University, HU)

NIMH (National Institute of Meteorology and Hydrology, BL)

Model ALADIN:

CHMI (Czech Hydromet. Institute, CZ)

OMSZ (Hungarian Met. Service, HU)

NMA ( National Met. Administration, RO)

Příklad klimatických modelů provozovaných v České republice

Model RegCM (vyvinut ICTP)

Provozován na MFF UK

Horizontální rozlišení cca 10 km

Model ALADIN-Climate/CZ(vyvinut Meteo-France a ČHMÚ)

Provozován ČHMÚ

Horizontální rozlišení cca 10 km

Příklad: Srážky simulované modelem RegCM a skutečně pozorované v období 1961-1990

Prostorová struktura srážkových úhrnů je podstatně bližší realitě než v případěsimulací s nižším horizontálním rozlišením, ale srážky jsou prakticky všude silně nadhodnocovány (což ale není charakteristické pro všechny modely)

Roční úhrn srážek RegCM [mm/rok] Skutečné srážkové úhrny [mm/rok](Zdroj: www.chmi.cz)

Globální

měřítko (GCM)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Statistický downscaling

Regionální

měřítko (RCM)

Lokální

měřítko

Dynamický downscaling

~ 200 km

10-50 km

> 10 km

Odhady budoucích klimatických změn a jejich dopadů

Studium klimatických změn

Simulace budoucího klimatu pomocí klimatických modelů jsou prováděny pro různé emisní scénáře a různé počáteční podmínky

Ze souboru globálních modelů provozovaných různými světovými centry je možné odhadovat pravděpodobný charakter změn různým klimatických prvků i

rozsah příslušných neurčitostí; modely nicméně neslouží k předpovědi v deterministickém smyslu

Pro studie lokálních klimatických změn jsou globální modely doplňovány regionálními modely a metodami statistického downscalingu

Emisní scénáře

Reprezentují různé možnosti budoucího vývoje emisí v závislosti na vývoji průmyslu, energetiky, změn počtu obyvatel apod.

Výsledky simulace budoucích teplot

Průměrná hodnota oteplení získaná z mnoha simulací různými modely, pro tři různé emisní scénáře, v období 2020-2029 a 2090-2099

Výsledky simulace budoucích teplot – ilustrace mezimodelových rozdílů

Předpověď změn průměrných teplot do roku 2100 ve srovnání s rokem 2000 podle různých klimatických modelů

Výsledky simulace budoucích teplot – rozdíly mezi emisními scénáři

Výsledky simulace budoucích srážkových úhrnů

Průměrná relativní změny srážek, získaná z mnoha simulací různými modely, pro emisní scénář A1B, v období 2090-2099 ve srovnání s 1980-1999

Předpokládané dopady klimatických změn:Zemědělství

• V průměru nárůst produkce ve vyšších a středních zeměpisných šířkách;

snížení v tropických oblastech

Předpokládané dopady klimatických změn:Hydrologický cyklus

Zdroj: IPCC WG2 report

Předpokládané dopady klimatických změn:Ostatní

• Větší přístupnost polárních oblastí pro námořní plavbu – menší množství

mořského ledu v létě v Severním ledovém oceánu, otevření „severozápadní

cesty“

• Zvyšování kyselosti oceánů (na obrázku změny mezi lety 1700 a 1990)

• Možné změny ve výskytu extrémních jevů (hurikány, extrémní srážky, …)

• Ústup horských ledovců

Obrázek: Změny kyselosti oceánů od preindustriálního období

Příklad: Simulace teplotních změn v oblasti České republiky (model ALADIN, ČHMÚ)

Simulace teplotních změn (°C) pro období 2010-2039 ve srovnání s 1961-

1990 (DJF = Zima, MAM = Jaro, JJA = Léto, SON = Podzim)

Příklad: Simulace srážkových změn v oblasti České republiky (model ALADIN, ČHMÚ)

Simulace relativních srážkových změn pro období 2010-2039 ve srovnání s

1961-1990 (DJF = Zima, MAM = Jaro, JJA = Léto, SON = Podzim)

Shrnutí

Klimatický systém je tvořen celou řadou složek, atmosféra je jen jednou z nich. Utváření a evoluce klimatu jsou dány interakcí různých komponent klimatického systému a působením vnějších vlivů.

Klima se stále vyvíjí; různé faktory se projevují v rámci různých časových měřítek a s různou intenzitou.

V posledních několika desetiletích bylo pozorováno výrazné oteplení na většině míst zemského povrchu. Je velmi pravděpodobné, že toto oteplení je dáno lidskou činností, zejména změnami složení atmosféry.

Klima a jeho vývoj je možné simulovat pomocí numerických modelů, kteréjsou schopné dobře postihnout základní rysy v globálním měřítku; regionální detaily jsou mnohdy rozlišeny hůře.

Klimatické modely naznačují pokračování trendu oteplování i v budoucnu; jeho výše nicméně závisí na různých faktorech, zejména emisích (koncentracích) skleníkových plynů v průběhu 21. století. Měnit se pravděpodobně budou i další klimatické charakteristiky, včetně srážek a četnosti extrémních jevů.

Děkuji za pozornost